Аналитическое и экспериментальное исследование стационарных режимов работы установок охлаждения газа компрессорных станций магистральных газопроводов

Размещено на http://www.allbest.ru/

АНАЛИТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УСТАНОВОК ОХЛАЖДЕНИЯ ГАЗА КОМПРЕССОРНЫХ СТАНЦИЙ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ

В условиях дефицита электроэнергии важное место в повышении экономической эффективности предприятий Газпрома занимают мероприятия по энергосбережению на всех стадиях транспортировки газа.

Современная технология транспортировки газа по магистральным трубопроводам требует его охлаждения до определенной температуры. С этой целью на газотранспортных предприятиях - на установках комплексной подготовки газа, на компрессорных станциях магистральных газопроводов, дожимных компрессорных станциях, станциях подземного хранения газа и т.д. - широкое применение нашли аппараты воздушного охлаждения (АВО) газа. На компрессорных станциях магистральных газопроводов с газотурбинным приводом нагнетателей до 60...70% потребляемой электроэнергии расходуется на охлаждение газа, что определяет актуальность проблемы повышения энергоэффективности работы АВО.

Для разработки математической модели, ориентированной на оптимизацию алгоритмов управления АВО, целесообразно провести декомпозицию объекта управления, представив его в виде взаимосвязанных подсистем: процессов теплообмена, аэродинамических процессов и электромеханических процессов в электроприводах вентиляторов.

При проведении исследований рассматривалась схема АВО в виде двух последовательно включенных секций (частей теплообменника) 1 и 2 (см. рисунок) с возможностью независимого регулирования частоты вращения n₁, n₂ вентиляторов (В1, В2), приводимых в движение электроприводами (ЭП1, ЭП2). В стационарном режиме перепад температуры в частях теплообменника ДT_i является функцией следующих параметров: температуры газа T_in на входе, температуры наружного воздуха T_oa, расхода газа Q, расхода или скорости потока V_i охлаждающего воздуха i-й секции теплообменника, скорости потока воздуха смежной секции. Последнее объясняется тем обстоятельством, что во вторую часть теплообменника поступает газ, частично охлажденный в первой части теплообменника.

Общий перепад температуры на АВО

.

Расчетная схема АВО

Известно, что при постоянном угле атаки лопастей ц потребная мощность на валу вентилятора зависит от относительной скорости в третьей степени

, (1)

где n_nom - номинальная частота вращения, P_с.nom - номинальная мощность на валу вентилятора при номинальной частоте вращения.

Экспериментальные исследования, выполненные для аппаратов воздушного охлаждения газа типа 2АВГ-75, оборудованных двумя вентиляторами, приводимыми в движение электродвигателями типа ВАСО-16-14-24, подтверждают справедливость соотношения (1).

Управление аэродинамическими процессами осуществляется за счет изменения частоты вращения n вентиляторов с помощью частотно регулируемого привода. Результаты экспериментального исследования аэродинамических характеристик свидетельствует о возможности представления взаимосвязи скорости потока охлаждающего воздуха V и частоты вращения n (или частоты f напряжения на двигателе) в виде линейной зависимости

, (2)

где k_bv - коэффициент передачи вентилятора по частоте вращения двигателя.

При экспериментальных исследованиях тепловых процессов рассматривались обобщенные характеристики АВО, устанавливающие взаимосвязь между регулирующим воздействием - частотой напряжения, подаваемого на двигатель, и выходной переменной - перепадом температуры ДT на АВО.

В процессе экспериментов исследовались зависимости перепада температур от регулирующего воздействия как при синхронном регулировании частоты вращения обоих вентиляторов, так и при отключении одного из вентиляторов и регулировании частоты другого.

На основе анализа полученных данных перепад температуры на АВО для управляющих воздействий f и V представлен в виде

(3)

(4)

где C - перепад температуры при отключенных двигателях вентиляторов; , , , , , - коэффициенты передачи для управляющих воздействий в виде частоты f напряжения и скорости потока воздуха V первого и второго вентиляторов соответственно.

Результаты экспериментальных исследований показывают, что коэффициенты передачи для управляющих воздействий f₁ и V₁ на первую часть теплообменника отличаются от соответствующих коэффициентов передачи для управляющих воздействий f₂ и V₂ на вторую часть теплообменника. При этом возникает задача отыскания оптимальных значений управляющих воздействий.

В типовой установке охлаждения газа (УОГ) содержится n параллельно включенных АВО. При допущении о равномерном распределении потока газа по отдельным АВО и однородности их тепловых характеристик общий температурный перепад на УОГ совпадает с температурным перепадом на отдельном аппарате воздушного охлаждения.

В соответствии с требованиями технологического задания перепад температуры на УОГ с учетом некоторой погрешности о должен быть равен заданному ДT_zd значению

ДT±о = ДT_zd. (5)

При этом на частоту вращения вентиляторов и скорость потока воздуха наложены ограничения

; ; i=1, 2. (6)

При определенных значениях параметров T_in,T_oa, Q_g и номинальных значениях частоты n_nomi вращения вентиляторов и, соответственно, номинальных значениях скорости потока воздуха V_nomi УОГ обеспечивает некоторое максимальное значение перепада температуры

. (7)

С учетом соотношения (1) выражение для мощности на валу вентиляторов можно записать в виде

. (8)

Дополнительно будем считать номинальные мощности вентиляторов и номинальные значения скорости воздуха одинаковыми:

; . (9)

Для получения обобщенных результатов перейдем к относительным единицам. За базовые значения примем: температуры - максимальное значение перепада температуры ДT_max, мощности - P_nom; скорости воздуха - V_nom.

Введем обозначения для относительных величин:

; ; ; ; ;

; ; ; ; : .

После преобразований соотношений (4), (5), (6), (8) в относительных единицах будем иметь

(10)

; (11)

; (12)

; (13)

. (14)

При этом задача оптимизации стационарного режима работы УОГ может быть сформулирована как задача минимизации целевой функции (14) при выполнении требований технологического задания (11), уравнений связи (10), (13) и ограничений (12). Сформулированная задача представляет собой многопараметрическую задачу нелинейного программирования, и для её решения могут использоваться известные методы [1].

При принятой упрощенной постановке задача может быть решена аналитически. Рассмотрим общий случай, когда v₁>0, v₂>0.

Используя соотношения (11) и приняв о=0, найдем с учетом выражения (10) переменную

. (15)

Введем обозначения:

(16)

представим (15) в виде

. (17)

После подстановки выражения для v₂ в соотношение для целевой функции (14) будем иметь

(18)

В результате исследования выражения (18) на экстремум найдены соотношения для оптимального значения переменных:

_; . (19)

Соотношения (19) справедливы для b?1. Значение b=1 соответствует частному случаю, когда k₁=k₂

_. (20)

Из изложенного следует, что в случае k₁?k₂ оптимальное решение, соответствующее минимуму мощности p_opt, достигается при неравных значениях управляющих воздействий. Как показывает анализ, при уменьшении отношения k₁/k₂<1 оптимальное значение н_1opt уменьшается, а н_2opt возрастает.

С использованием разработанной методики решены задачи оптимизации алгоритмов управления при наличии запаса тепловой мощности АВО.

охлаждение газ двигатель

Библиографический список

1. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование / Д. Химмельблау. - М.: Мир, 1975. - 534 с.

Размещено на Allbest.ru